一種超聲波觸覺反饋系統(tǒng)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波觸覺反饋系統(tǒng)，更具體地涉及一種超聲波觸覺反饋系統(tǒng)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]觸覺是人類感官中一項(xiàng)非常重要的體驗(yàn)，可以帶給人身臨其境的感受。近年來，觸覺反饋技術(shù)快速發(fā)展，在遠(yuǎn)程通訊、娛樂活動(dòng)、手術(shù)治療等中都有廣泛的應(yīng)用，許多智能手機(jī)和電子設(shè)備上都采用了這種功能。傳統(tǒng)的觸覺反饋技術(shù)都需要使用者觸摸到真實(shí)物體表面，從而產(chǎn)生觸覺感受，例如在手機(jī)上配制觸覺反饋技術(shù)的屏幕，可以在用戶按到屏幕上的虛擬按鍵時(shí)，用微弱電流的方式給手指以反饋，使用戶有按下真實(shí)按鍵的感覺。
[0003]近年來，一種基于超聲波的觸覺反饋技術(shù)，不需要用戶直接接觸物體，但可讓用戶的雙手感覺到好像是在觸摸真實(shí)物體表面，可以讓手勢(shì)控制和虛擬現(xiàn)實(shí)更加真實(shí)、更有代入感，讓虛擬世界的感覺更豐富?；诔暡ǖ挠|覺反饋技術(shù)，主要依賴于超聲傳感器發(fā)射超聲波，人的手掌中有一些特殊的部分對(duì)于超聲波的識(shí)別率很好，當(dāng)向手掌發(fā)送多種超聲波時(shí)，人能夠分清其中的不同。將手放在超聲傳感器上方時(shí)，傳感器發(fā)射超聲波在空氣中形成若干個(gè)超聲波聚焦點(diǎn)，構(gòu)成所設(shè)定的虛擬物體形狀，此時(shí)儀器將超聲波投射到手上時(shí)，人便可以感受到它。通過計(jì)算機(jī)控制超聲傳感器，使其發(fā)射多種幅度和相位的超聲波，可以提供不同的觸覺反饋和虛擬觸覺的形狀。
[0004]但是，目前的超聲波觸覺反饋系統(tǒng)，由于采用壓電式超聲傳感器，存在系統(tǒng)損耗較大，制作工藝復(fù)雜，成本高，不易于電子電路集成等弊病。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于電容式超聲傳感器的超聲波觸覺反饋系統(tǒng)，從而可以降低系統(tǒng)損耗，易于加工集成。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種超聲波觸覺反饋系統(tǒng)，包括超聲傳感器陣列、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路，所述控制電路和驅(qū)動(dòng)電路共同控制所述超聲傳感器陣列所發(fā)射的超聲波的相位和/或幅值，其特征在于，所述超聲傳感器陣列為電容式超聲傳感器陣列。
[0007]其中，所述電容式超聲傳感器陣列是由mXn的電容式超聲傳感器單元組成的二維陣列，其中m、n是自然數(shù)。
[0008]其中，所述mXn個(gè)電容式超聲傳感器單元由所述控制電路并行控制。
[0009]其中，所述驅(qū)動(dòng)電路通過驅(qū)動(dòng)電壓來控制所述超聲傳感器陣列，所述驅(qū)動(dòng)電壓由直流偏置信號(hào)和交流信號(hào)共同組成。
[0010]其中，所述直流偏置信號(hào)的幅值為5V?100V，所述交流信號(hào)的幅值為5V?50V。
[0011]其中，所述電容式超聲傳感器單元包括振膜、空腔、絕緣層、上下電極結(jié)構(gòu)，通過表面加工技術(shù)或鍵合技術(shù)制備而成。
[0012]其中，所述電容式超聲傳感器單元為圓形或方形。
[0013]作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種電容式超聲傳感器單元的制造方法，包括以下步驟:
[0014]步驟1:在硅襯底上沉積一層氧化硅；
[0015]步驟2:在硅襯底的氧化層上涂抹光刻膠，經(jīng)曝光、顯影、后烘后，通過濕法腐蝕或干法刻蝕，在所述娃襯底上形成所述超聲傳感器單元的空腔結(jié)構(gòu)；
[0016]步驟3:準(zhǔn)備SOI片，做好鍵合準(zhǔn)備；
[0017]步驟4:對(duì)步驟2中得到的帶有空腔的硅襯底進(jìn)行表面活化處理，然后與步驟3中的SOI片低溫鍵合；
[0018]步驟5:用TMAH腐蝕液腐蝕掉所述SOI片的底硅，接著用BOE溶液腐蝕掉所述SOI片的埋氧層，最后只留下所述SOI片的頂硅在硅襯底上，作為所述電容式超聲傳感器單元的振膜；
[0019]步驟6:在所述振膜上形成彼此交聯(lián)的圖形化上電極，即得到所述的電容式超聲傳感器單元。
[0020]作為本發(fā)明的再一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種電容式超聲傳感器陣列的制造方法，采用如上所述的電容式超聲傳感器單元的制造方法同時(shí)制作m X η的電容式超聲傳感器陣列，其中m、n是自然數(shù)。
[0021]作為本發(fā)明的還一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種超聲波觸覺反饋系統(tǒng)的制造方法，其特征在于，采用如上所述的電容式超聲傳感器陣列的制造方法來制造所述超聲波觸覺反饋系統(tǒng)的超聲傳感器陣列。
[0022]由此可見，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的基于電容式超聲傳感器的超聲波觸覺反饋系統(tǒng)具有以下有益效果:(1)本發(fā)明由于采用了電容式超聲傳感器陣列作為系統(tǒng)的超聲波發(fā)射器件，易于后續(xù)驅(qū)動(dòng)電路、控制電路集成，可以極大的減小器件的尺寸、降低系統(tǒng)損耗、提高信噪比等，改善系統(tǒng)的性能，并且為將超聲波觸覺反饋系統(tǒng)集成到芯片上提供了可能；
(2)本發(fā)明相比傳統(tǒng)的壓電式超聲傳感器，容易制備出適合各種頻率范圍應(yīng)用的超聲波傳感器陣列，制作更為容易，成本更低。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明的超聲波觸覺反饋系統(tǒng)的總體框架示意圖；
[0024]圖2是本發(fā)明的電容式超聲傳感器單元器件層狀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖3是本發(fā)明的電容式超聲傳感器圓形陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0027]與傳統(tǒng)的壓電式超聲傳感器相比，電容式超聲傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):第一、采用大規(guī)模集成電路的制作方法，可以批量制造，制造成本低；第二、與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容，傳感器驅(qū)動(dòng)電路、控制電路可集成在同一芯片上，減小芯片引腳、寄生電容及噪聲信號(hào)；第三、適合制造二維面陣結(jié)構(gòu)，極大地改善了靈敏度和發(fā)射聲壓，工作頻率范圍寬；第四、具有更低的機(jī)械阻抗，更易實(shí)現(xiàn)與空氣或液體等周圍環(huán)境的阻抗匹配；第五、與壓電式超聲傳感器相比，電容式超聲傳感器對(duì)溫度更加不敏感，具有更加廣泛的應(yīng)用范圍。
[0028]本發(fā)明將電容式超聲傳感器用于超聲波觸覺反饋系統(tǒng)，利用了電容式超聲傳感器的優(yōu)勢(shì)，可以極大的降低系統(tǒng)損耗，改善系統(tǒng)的性能，并且為后續(xù)超聲波觸覺反饋技術(shù)集成到已有芯片中提供了一種可能。
[0029]本發(fā)明公開的基于電容式超聲傳感器的超聲波觸覺反饋系統(tǒng)包括電容式超聲傳感器陣列、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電腦(PC)等部分。每一個(gè)傳感器單元的幅值和相位均由PC發(fā)出指令，由控制電路和驅(qū)動(dòng)電路同步控制，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓波形輸出，作用到相應(yīng)的電容式超聲傳感器單元上。
[0030]電容式超聲傳感器主要由振膜、空腔、絕緣層、上下電極結(jié)構(gòu)組成，既可以發(fā)射超聲波，又可以接收超聲波。當(dāng)傳感器處在發(fā)射模式時(shí)，通過在上電極施加直流和交流信號(hào)在振膜上，引起振膜的振動(dòng)，從而向外發(fā)射超聲波；當(dāng)傳感器處在接收模式時(shí)，在振膜上只加載直流信號(hào)，當(dāng)超聲波作用到振膜上，振膜振動(dòng)引起傳感器電容的變化，進(jìn)而響應(yīng)并輸出外部信號(hào)。電容式超聲傳感器可以用表面加工技術(shù)或鍵合技術(shù)制備而成，表面加工工藝是通過沉積犧牲層材料、振膜材料之后，引入腐蝕液移除犧牲層來形成空腔。鍵合技術(shù)包括陽極鍵合、硅片直接鍵合、以粘合劑為中間介質(zhì)的鍵合技術(shù)等，可以將振膜與空腔分開制備，之后通過鍵合形成密閉空腔結(jié)構(gòu)。
[0031]通過計(jì)算機(jī)控制電容式超聲傳感器陣列，使其發(fā)射多種幅度和相位的超聲波，多個(gè)超聲波傳感器單元的輻射場(chǎng)相互作用，從而在傳感器陣列上方形成若干個(gè)超聲波聚焦點(diǎn)，在這些聚焦點(diǎn)上具有較強(qiáng)的聲輻射力，當(dāng)把手放在傳感器陣列上方時(shí)，聲輻射力壓迫皮膚，能夠產(chǎn)生觸覺的感覺。改變超聲波傳感器陣列各個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)電壓，可以在不同空間點(diǎn)上形成超聲波聚焦點(diǎn)，即超聲波聚焦點(diǎn)在空間可控，多個(gè)聚焦點(diǎn)組成虛擬的空間立體圖形的形狀，當(dāng)用手去觸摸時(shí)，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生觸摸真實(shí)物體的感覺，實(shí)現(xiàn)觸覺反饋功能。
[0032]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步